開(kāi)關(guān)電源功率因數校正電路設計與應用實(shí)例之：概述

前級從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子設備中應用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器;電容濾波電路是一種非線(xiàn)性器件和儲能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數達不到0.7。

由于常規整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導通角遠小于180°，從而產(chǎn)生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數很低。全橋整流器電壓和電流波形如圖1-1所示。

圖1-1全橋整流器電壓和電流波形

因此，必須采取適當的措施來(lái)減小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數，以減小電網(wǎng)污染。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測中就要求1500W以上的電源設備，其功率因數必須高于0.92；以下的電源設備，其功率因數必須高于0.85。

目前，主要用來(lái)提高功率因數的方法有)電感無(wú)源濾波，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產(chǎn)品設計中其應用將越來(lái)越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價(jià)昂貴；三相高功率因數整流器，效率高、性能好，近年來(lái)其控制策略和拓撲結構處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數校正(APFC),通常采用Boot電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產(chǎn)品設計中得到越來(lái)越廣泛的應用。

(1)諧波

圖1-2電流波形中的諧波成分

圖1-2顯示了電流波形中的諧波成分，基波(在本例中為60Hz)以100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒(méi)有偶次諧波，這是波形對稱(chēng)的結果。如果波形包含無(wú)限窄和無(wú)限高的脈沖(數學(xué)上稱(chēng)為函數)則頻譜會(huì )變平坦，這意味著(zhù)所有諧波的幅度均相同。

從前面的描述可以清楚地看到，高功率因數和低諧波是一致的。但是，它們之間沒(méi)有直接的關(guān)系，總諧波失真和功率因數的關(guān)系體現在下列等式：

PF=Kd×K (1-2)

Kd=

式中，Kd為失真系數；K為輸入電流的基波分量和輸入電壓的相角系數。

因此，當輸入電流的基波分量和輸入電壓同相時(shí)，K=1且

PF=Kd×K=Kd

即使是完美的正弦電流，只要它的相位和電壓不一致，也會(huì )得出欠佳的功率因數。對純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差為0，從而電源輸入側的功率因數就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差不為0，則電路的功率因數是它們相位差的余弦值。

當=0，時(shí)(為計算方便)，功率因數與THD間存在如表1-1所示的關(guān)系?？梢?jiàn)，當THD≤5%時(shí)，功率因數可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD對應大約于0.995的功率因數。顯然，無(wú)論是從電流的最小化還是減小對其他設備的干擾角度來(lái)看，對每個(gè)諧波設定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的目標。雖然這個(gè)對輸入電流進(jìn)行整形的過(guò)程通常被稱(chēng)作功率因數校正，但在國際規范中，通常以諧波含量來(lái)衡量整形是否成功。

表1-1功率因數與THD間關(guān)系

因此，如何消除和抑制諧波對公共電網(wǎng)的污染，提高功率因數成為當今國內外電源界研究的重要課題。PFC，技術(shù)應用到新型開(kāi)關(guān)電源中，已成為新一代開(kāi)關(guān)電源的主要標志之一。

（4）不良功率因數的成因

由PF=可知，PF值由以下兩個(gè)因素決定：一是輸入基波電壓與輸入基波電流的相位差，二是輸入電流的波形畸變因數。

①相控整流電路

對于常見(jiàn)相控整流電路，其基波電壓和基波電流的位移因數如表1-2所示。

表1-2常見(jiàn)相控整流電路基波電壓和基波電流的位移因數

功率因數低的主要原因是基波電壓和基波電流位移因數，即受可控硅控制角的影響，使電流滯后于電壓，即≤1。改善功率因數的措施，一般是在負載端并聯(lián)一個(gè)性質(zhì)相反的電抗元件。若電網(wǎng)呈感性，通常采用電容補償的方法。